Управление в системах
Управление - воздействие на какую-то систему с целью достижения желаемых изменений в ее состоянии или поведении. Всякое управление предполагает наличие цели, т.е. модели желаемых изменений. Система, на которую оказываются целенаправленные воздействия, называется управляемой или – объектом управления. Носителем цели управления является субъект управления.
Виды целей управления достичь определенного состояния на объекте управления, т.е. перевести объект управления в целевое состояние; поддержать объект управления в заданном состоянии; минимизировать затраты системы управления при достижении целевого или при поддержании заданного состояния.
Обобщенная структура системы управления
В процессе управления можно выделить три основные этапа: сбор и анализ информации, необходимой для управления; принятие решения о целесообразном управляющем воздействии; реализация и контроль исполнения решения – выработка и применение к ОУ управляющих воздействий.
Устойчивость, управляемость, достижимость… устойчивость - способность системы возвращаться в то состояние, из которого она была выведена под воздействием внешних (или внутренних) воздействий.
Устойчивость ЭИС устойчивость к ошибочным действиям пользователей; - устойчивость к вирусным атакам и несанкционированным вмешательствам; - устойчивость к потерям энергообеспечения; - устойчивость к ошибкам и неисправностям программно-аппаратного обеспечения и др.
Управляемость - – способность к изменению состояний системы в результате воздействий.
Достижимость (цели)- – возможность достичь заданную цель управления при имеющемся состоянии системы управления (объекта управления), имеющихся ресурсах, условиях внешней среды.
Классификация объектов управления -Статические, t cc >>Tн -Динамические, t cc Tн - Релейные, t cc
Классификация систем управления по степени участия человека Системы ручного управления Системы автоматичсекого управления (САУ) Автоматизированные системы управления (АСУ)
Системы ручного управления
Системы автоматического управления
Автоматизированные системы управления – автоматизация обработки информации Автоматизация обработки и представления информации
Автоматизированные системы управления – автоматизация исполнения решений Автоматизация обработки и представления информации Автоматизация формирования и передачи УВ
Автоматизированные системы управления – с поддержкой принятия решений Автоматизация обработки и представления информации Автоматизация формирования и передачи УВ Поддержка принятия решений
Автоматизированные системы управления – комплексы поддержки принятия решений и исполнения решений Комплексная автоматизация управления (поддержки и исполнения решений)
Аксиомы управления Для управления необходимо выполнение ряда естественных условий, которые формулируются в виде аксиом: Аксиома 1. Наличие наблюдаемости объекта управления. - по наблюдению за внешними реакциями ОУ можно оценить состояние объекта
Аксиомы управления -2 Аксиома 2. Наличие управляемости – -способность ОУ переходить в пространстве состояний Z из текущего состояния в требуемое под воздействиями управляющей системы. Под этим можно понимать перемещение в физическом пространстве, изменение скорости и направления движения в пространстве состояний, изменение структуры или свойств ОУ. Если состояние ОУ не меняется, то понятие управления теряет смысл.
Аксиомы управления -3 Аксиома 3. Наличие цели управления. Под целью управления понимают набор значений количественных или качественных характеристик, определяющих требуемое состояние ОУ. Если цель неизвестна, управление не имеет смысла, а изменение состояний превращается в бесцельное блуждание.
Аксиомы управления -4 Аксиома 4. Свобода выбора - возможность выбора управляющих воздействий (решений) из некоторого множества допустимых альтернатив. Чем меньше это множество, тем менее эффективно управление, так как в условиях ограничений оптимальные решения часто остаются за пределами области адекватности. Если имеется единственная альтернатива, то управление не требуется. Если решения не влияют на изменение состояния ОУ, то управления не существует.
Аксиомы управления -5 Аксиома 5. Наличие критерия эффективности управления. Обобщенным критерием эффективности управления считается степень достижения цели функционирования системы. Кроме степени достижения цели качество управления можно оценивать по частным критериям: затраты на управление, точность реализации УВ, длительность цикла управления и т.д.
Аксиомы управления -6 Аксиома 6. Наличие ресурсов (материальных, финансовых, трудовых и т.д.), обеспечивающих реализацию принятых решений, т.е. УВ. Отсутствие ресурсов равносильно отсутствию свободы выбора. Управление без ресурсов невозможно.
Организационные системы управления (управление на предприятиях)
Особенности систем организационного управления Многоуровневость управления Опосредованность - наличие посредников, промежуточных уровней Наличие активных элементов (людей, коллективов со своими целями и степенями активности) Высокая роль процессов принятия решений Невозможность полной автоматизации до уровня САУ
Фазы управления
Фазы управления предприятием
Фаза планирования - разработка долгосрочных и краткосрочных планов работы предприятия, составление календарных планов выполнения мероприятия, планов финансирования, планов производства, закупок, продаж и т.п.
Фазы Учета и анализа: учет - сбор данных о деятельности предприятия и, возможно, внешних систем и элементов среды; анализ - обработка результатов учета, т.е. учитываемых данных;
Фаза регулирования регулирование - выработка и реализация решений по регулированию деятельности предприятия с целью достижения плановых показателей. Регулирование деятельности предприятия Регулирование планов
Управление формированием спросом Управление производством Управление сбытом Управление поставками Управление обеспечивающими и административными службами Декомпозиция процесса управления на предприятии
Решения при управлении предприятием: оперативные управленческие решения решения по планированию организационные
Этап выбора 1.Сбор и анализ информации 2.Генерация альтернатив; Подбор критерия, отражающего цель 3.Анализ и сравнение альтернатив 4.Выбор альтернативы 5.Передача решения на исполнение 6.Контроль за исполнением Проблемы и Цели управления Этапы и фазы процесса принятия решений
Адаптивные системы (управления)
Адаптация – приспособление к внешним условиям. Адаптация систем управления основывается на приобретении в процессе управления новых знаний о среде, объекте управления, которые позволяют вырабатывать эффективные управляющие воздействия.
Когда требуется адаптация? изначально имеется недостаток знаний о среде и ОУ, что не позволяет сразу построить адекватную модель объекта и соответствующие управляющие воздействия; условия функционирования и (или) сам ОУ являются динамическими, т.е. меняются во времени так, что принятые изначально правила управления становятся непригодными.
Уровни адаптации параметрическая адаптация; структурная адаптация; адаптация объекта управления; адаптация цели.
Параметрическая адаптация - изменение параметров системы, например, параметров модели, описывающей объект управления
Структурная адаптация - изменение состава и взаимосвязей элементов системы, например, выбор для модели объекта управления нового вида математических выражений
Адаптация объекта управления – пересмотр границ объекта управления в окружающей среде
Адаптация цели – изменение системы целей управления.
Основные структурно- логические элементы теории систем
Процесс решения любой проблемы в теории систем представим следующими основными структурно-логическими элементами: 1 Цель или ряд целей, достижение которых будет означать, что проблема решена. 2. Средства, с помощью которых может быть достигнута цель. 3. Модель или модели, в которых с помощью некоторого языка (в том числе математики, формальной логики, обычного словесного, графического или машинного описания и т.п.) отображается связь между целями, средствами и результатами. 4. Критерий или критерии, с помощью которых сопоставляются в каждом конкретном случае цели, затраты, результаты и отыскивается наиболее предпочтительное решение. 5. Принятие решения, реализация которого обеспечивает при заданных ограничениях достижение цели с наименьшими затратами средств.
Цель Постановка цели – первый этап системного исследования. цель - желаемое состояние системы или результаты её деятельности.
Две категории целей цели стабилизации –направлены на сохранение достигнутого уровня развития и функционирования цели развития –направлены на создание дополнительных ресурсов, которыми данная система не обладает, или достижение новых её состояний, к которым она стремится.
Средства Средства достижения цели – это объективные предметы или действия, включенные в структуру целеполагающей деятельности и обеспечивающие получение желаемого результата.
Взаимная обусловленность целей и средств ЦЕЛИ Средства В зависимости от цели выбираются средства ее достижения Доступные средства предполагают те или иные реальные цели
Модель - упрощенное представление системы с помощью материальных и/или нематериальных (формулы, схемы и т.п.) средств. Применяется для исследования системы, разработки способов решения проблемы, проведения экспериментов, определения и обоснования характеристик вариантов системы для последующего принятия решений.
Основные виды моделей системного анализа Исходная система y(t) ={x(t), u(t), p (t)} F(X) max Gj(X) Bj J = 1, 2, 3…N Динамические: имитация поведения Оптимизационные: поиск решения Графоаналитические (структуры, процессы )
критерий – это признак, условие, по которому выделяется наиболее предпочтительный вариант из различных вариантов решения, способов достижения поставленной цели - альтернатив.
критерий отражает цель и позволяет количественно сравнить между собой альтернативы с тем, чтобы сделать обоснованный выбор
Требования к критериям: Критерий должен: учитывать все главные стороны деятельности системы; быть чувствительным к изменению исследуемых параметров (показателей); быть по возможности простыми (если только простота не наносит ущерб точности); определятся с достаточной достоверностью и точностью; быть мерой эффективности системы (надежности, производительности и экономичности)
Простые и сложные критерии Простой критерий: F max Сложный: F = (F1, F2, F3…) max Если сложный критерий не сводится к простому, то он называется векторным. F = (F1 + F2 + F3)/3 – пример сведения сложного критерия к простому
Показатель некоторая характеристика того или иного интересующего нас свойства объекта (процесса). Также говорят, что показатель есть характеристика, количественное выражение которой может показать насколько достигнута та или иная цель, насколько ярко выражено то или иное свойство.
Показатель и критерий F – показатель (например, доход предприятия) F max – критерий, отражающий цель - максимизировать доход.
Решение (принятие решения) - выбор одной или нескольких альтернатив из множества возможных вариантов. Этот выбор осуществляется по некоторым критериям, которые позволяют оценивать альтернативы с точки зрения одной или нескольких целей.
Для принятия решения необходимо: Знание цели (целей); Набор альтернатив – вариантов, из которых будет делаться выбор; Принципиальная возможность выбора; Знание о влиянии факторов, ограничивающих возможности альтернатив (ограничения); Критерий, который позволит сравнить альтернативы между собой с учетом ограничений.
Типы решений Допустимое значение F - в допустимых пределах. Рациональное F – лучше других, но не доказано, что самое лучшее Оптимальное F – самое лучшее Оптимальность решения возможна только по заданному критерию, т.е. в контексте данной цели
Дерево целей - представляет собой графическое изображение связи между целями системы и средствами их достижения, в качестве которых выступают подцели (на нижнем уровне - задачи).
Если главных целей несколько, то они выводятся на 1-й уровень и вводится искусственная генеральная цель Три равнозначных главных цели
Операции на множестве целей Декомпозиция цели - разбиение цели верхнего уровня на подцели Агрегирование – объединение подмножества целей в одну цель Стратификация - разделение множества целей по уровням (стратам) Классификация - группирование подцелей по некоторым признакам
Ранжирование целей При ранжировании целей каждая из них оценивается с точки зрения вклада в достижение цели верхнего уровня. В результате каждой подцели присваивается вес, который называется коэффициентом относительной важности -
Требования к коэффициентам относительной важности 0 i 1 где n – число подцелей
Пример: дерево цели «Повысить рентабельность производства» П – прибыль от реализации продукции С – себестоимость Р = П/С i - отражает мнение ЛПР – за счет чего важнее повышать Р
Граф целей и задач
Рекомендации для построения дерева целей-1 - в хорошо организованной системе за выполнение каждой цели должен нести ответственность один единственный орган управления (структурный элемент). Т.е. дерево целей соответствует архитектуре предприятия
Рекомендации для дерева целей -2 -Полезно выбрать такое разложение на подцели, для достижение которых существуют не зависящие друг от друга способы и средства; -Порядок достижения подцелей не оговаривается -Достижение всех подцелей нижнего уровня означает достижение цели верхнего уровня
Рекомендации для дерева целей -3 -на нижнем уровне должны быть независимые задачи (чтобы не было «или-или»). -при декомпозиции цели целесообразно ограничиваться 5-7 подцелями. -количество уровней: в зависимости от масштаба объекта.
Построение дерева проблемы
Дерево проблемы: содержание подцелей 1 Что нужно знать для решения проблемы? 1.1Назначение, цели системы? 1.2 Каковы условия функционирования системы? 1.3 Какие существуют и разрабатываются решения для достижения поставленных целей? 2 Что нужно создать для решения проблемы? 2.1 Каковы функции системы? 2.2 Какова структура системы? 2.3 Каков режим работы системы? 3 Что нужно организовать для решения проблемы? 3.1 Организация исследования и проектирования систем. 3.2 Организация действия и взаимодействия подсистем. 3.3 Организация функционирования системы во взаимодействии с другими системами.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И МОДЕЛИ СИСТЕМ В СИСТЕМНОМ АНАЛИЗЕ
Понятие модели Модель – это материальная или идеальная система, которая в определенных условиях может заменить объект-оригинал и служит для получения информации об объекте- оригинале и (или) других объектах, с ним связанных. Объект-оригинал (исходная система) Модель системы
Модель - это – идеальный или материальный объект; – отображение или воспроизводство объекта-оригинала; - источник получения информации.
Когда нужны модели -1: Исходная система - сложная, непосредственное изучение ее затруднено, невозможно или экономически невыгодно; непосредственное экспериментирование с системой может оказать разрушительное воздействие на нее или иные объекты, с ней связанные; необходимо спрогнозировать возможные состояния, поведение системы в будущем;
Когда нужны модели - 2: на этапе проектирования и разработки системы; необходимо упрощенное воспроизведение информации о системе и процессах в ней протекающих; при обучении работе с системой, в играх и т.п.
Требования к моделям Модель должна быть: -достаточно простой, чтобы в отличие от оригинала ее можно было исследовать, экспериментировать с ней; -подобной объекту-оригиналу, с необходимой полнотой воспроизводить его свойства. -адекватна решаемой задаче – полнота, сложность и вид модели должны позволять решить поставленную задачу
исследование объектов с помощью их моделей разработка моделей и исследование объектов путем исследования этих моделей - экспериментальное исследование реальных объектов на их моделях МОДЕЛИРОВАНИЕ: МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ:
Обобщенная схема процесса моделирования
Классификация моделей (видов моделирования) по средствам их построения
Модели знаковые (символические) описательные модели (алгоритмы, программы, тексто-графические описания и т.п.); схематические модели (различные блок- схемы, диаграммы и т.п.); графоаналитические модели (построенные с помощью инструментариев различных сетей, графов); математические (говорят еще - логико- математические) модели.
Графоаналитические модели: Дерево (а), сеть (б). Математическое задание графа G (X, V, ), : X V
Модель системы управления в виде структурной схемы
Физические модели основаны на физическом подобии модели и моделируемой системы Экспериментальный (опытный) образец Опытное предприятие (регион, отдел и т.п.) Макет
Предметно-математические модели они воплощаются в предмете (материальны); процессы, протекающие в таких моделях, отличны по природе от процессов в объекте-оригинале; процессы в модели и объекте- оригинале подчиняются одним и тем же закономерностям.
Математика Алгоритмы, программы Компьютер Предметно-математическая модель
Виды предметно-математических моделей компьютерная (машинная) модель; полунатурная модель, в которой наряду с компьютером используются отдельные блоки реальных систем, функционирующие под управлением людей или самой ЭВМ; модель–аналог, когда одна реальная система используется для моделирования другой системы, отличной по своей природе от первой.
При исследовании сложных объектов, как правило, поэтапно разрабатываются и используются разные модели: Мысленная модель Описательная текстовая Схематическая Математическая модель Алгоритмическая Компьютерная Физическая (опытный образец, предприятие и т.п.)
Математическое моделирование
Математическая модель представляет собой запись на некотором математическом языке существенных характеристик структуры, состава или функционирования моделируемой системы.
Математическая модель есть выражение зависимости между ключевыми параметрами процессов в объекте-оригинале посредством математических выражений - уравнений, неравенств. Исследовать мат.модель – решить эти системы уравнений, неравенств при принятых предположениях о тех или иных значениях параметров модели.
Плюсы мат.моделирования: матмодель абстрактна, т.е. позволяет избавиться от второстепенных особенностей предметной области и перейти к математическим конструкциям, общим для разных областей и задач; для исследования матмоделей используются известные и достаточно проработанные математические методы. результаты, полученные при исследовании одних систем, могут быть применимы для других систем, математические модели которых выражаются теми же зависимостями; исследование матмоделей поддается автоматизации с помощью ЭВМ. Существуют спец.пакеты, алгоритмы и программы (Mathcad, Matlab, WinMaple и др.).
Компоненты мат.модели: 1) внутренние параметры объекта – вектор состояния: X = (Xk | k = 1, 2, …, N); 2) характеристики внешних (по отношению к объекту) изменяемых условий – внешних воздействий: U = (Ui | i = 1, 2, …, M); 3) выходные характеристики объекта, которые нужно определить: Y = (Ys | s = 1, 2, …, R).
Обобщенная запись мат.модели: Y = G(U, X) – преобразование входа U в выход Y при состоянии Х. С учетом изменений во времени: Y(t) = G(U(t), X(t)) При заданном начальном состоянии X(t0) и известном законе изменения состояния от U на интервале (t0, t ): Y(t) = G [X(t0), U (t0, t)]